从细节出发阐述汽车安全系统技术架构-电子工程世界

随着中国汽车工业的飞速发展和汽车保有量的大幅提高，我国每年由于交通事故造成的人员伤亡和财产损失也在随之大幅的增加。汽车的被动安全性能也就自然而然的越来越受到广大国人的关注。厂家也越来越多的把自己产品的安全性当作宣传的重点，越来越多的世界最新的安全技术研究成果被引进中国，越来越多的中国的工程师和研发人员开始专注于这一领域。

　　汽车主动式安全系统

　　为预防汽车发生事故，避免人员受到伤害而采取的安全设计，称为主动安全设计，如ABS，EBD，TCS等都是主动安全设计。它们的特点是提高汽车的行驶稳定性，尽力防止车祸发生。其它像高位刹车灯，前后雾灯，后窗除雾灯也是主动安全设计。

　　实现对意外的主动避免和预防需要各种传感和探测系统，如前后视雷达、夜视系统、红外线探测、测距、CMOS/CCD影像监视，以及胎压自动监测系统（TPMS）等。主要的工作原理即传感器从外界获得所需的物理模拟信号值，转化为数字信号后再交由特定的控制单元进行分析，并进行有效的决策和预防措施。

　　图一　汽车安全系统从被动向主动方式发展的趋势图

　　1. 预碰撞系统

　　AWS是Advance Warning System缩写。是一个意外事故预防和缓和的驾驶辅助系统，在危险发生前给驾驶员提供及时的声音和视觉报警。目前，公路交通事故已成为全球范围内日益严重的公共安全问题。统计资料表明，其中驾驶员的人为因素导致的公路交通事故率最高。无论是事故数量。还是伤亡人数均分别高达各自总数的90%左右。并且。在导致这些公路交通事故的驾驶员的人为因素中，疲劳和精神分散驾驶是重要原因之一。驾驶员在3s时间内的注意力不集中，造成了其中80%的交通事故，主要表现为车道偏离和追尾事故。目前。国内外在防止车道偏离和保持安全车距两个方面都开展了相当多有益的探索，在雷达、激光、超声波、红外线、机器视觉等传感器技术方面都取得了一些突破。经过长期大量的研究实践，人们逐步认识到采用单目视觉技术，仅使用一台摄像机，即能在一定程度上实现对前方道路环境、车辆探测及车距监测的功能。车元素研究显示，若在公路交通事故发生前的1.5s给驾驶员发出预警，则可避免90%的这类事故。因此，通过在汽车上安装汽车碰撞预警系统，利用技术手段分析车道、周围车辆的状况等驾驶环境信息，一旦当驾驶员发生疲劳及精神分散、汽车出现无意识的车道偏离及汽车间车距过近。存在追尾可能时。能够及时给予驾驶主动预警，是减少公路交通事故行之有效的技术措施。

　　2. ACC自适应巡航控制系统

　　所谓预碰撞系统，只能在碰撞发生之前做出的一系列积极准备，而并不是“预防”碰撞的发生。目前发展迅速的ACC（Adaptive Cruise Control），即自适应巡航控制，则能部分实现碰撞事故的预防。

　　ACC属于前向行驶的速度控制系统，主要功能在于控制本车与周边车辆的安全距离。其通过在车身四周配置的多个传感器和车内控制系统的先进算法向驾驶员提供安全驾车的辅助信息和建议，并在探测到潜在危险时向驾驶员及时发送警报，甚至直接介入车辆的操控系统加以干预。然而无论如何，ACC仅对刹车拥有部分干预程度，驾驶员仍然是驾驶的核心。

　　ACC实现速度和车距控制的关键在于锁定前方目标车辆，然后计算出该车的速度、加速度等行驶信息。车主会提前为ACC设定反应时间，ACC在行驶时则会再依据辆车的相对速度和当前车距计算出安全车距，并判断下一步的速度控制；而当辆车距离过近而超出ACC的控制范围，则系统切换至预碰撞安全处理系统。

　　3. 驾驶警示系统

　　驾驶警示系统主要通过CCD/CMOS等传感器和影像设备作为监视手段，通过内置辨识系统判断车辆状态和驾驶员的行为是否正常，如出现问题则及时发出警示信号避免事故的发生。也有的驾驶警示系统能探测出驾驶员呼出气体的酒精浓度并给予适当的警告。此外后方和侧面的监视器也可属于驾驶警示系统，其可消除驾驶员的视觉死角，避免倒车时常见的碰撞事故。

　　驾驶警示系统的功能主要包括车道偏离警示（Lane Departure Warning， LDW）、驾驶危险警示、视觉死角警示（或称盲点检测）等。其中车道偏离警示主要在驾驶员驶入错误的车道进行警告，或在变换车道时提示其打方向灯等动作。

　　驾驶警示系统能为驾驶员的安全驾驶提供有效的辅助信息，但如果辅助信息不够全面则无法起到其应有的作用。另一方面，一切事物都有其两面性，如果辅助信息过多或过于复杂，不但对安全驾驶无益，有时反而会让驾驶员疲于处理各种辅助信息而精力不集中，容易酿成事故。

　　此外，辅助信息通过何种手段发送给驾驶员也是值得研究的问题之一。屏显、仪表板、语音等属于传统的手段，目前还出现了“体感警示”的方式，即汽车通过振动踏板、座椅、方向盘等来向驾驶员发送信息，或引起其注意。

　　4. 电子稳定程序

　　电子稳定装置（ElectronicStablityProgram）是一种牵引力控制系统，不但控制驱动轮，而且可以控制从动轮。如后轮驱动汽车常出现的转向过度的情况，此时后轮会失控而甩尾，ESP便会通过对外侧的前轮的适度制动来稳定车辆。转向不足时，为了校正循迹方向，ESP则会对内后轮制动，从而校正行驶方向。

　　随着近年电子科技的发展，各种汽车智能安全系统也开始发展起来，主要是通过由雷达和摄像机组成的“预知传感器”，对行车危险进行判断并帮助驾车者进行处理。这一系统能够在汽车与其它物体发生撞前的瞬间，自动进行干预以保证安全。

　　传感器的类型与选用

　　无论是驾驶警示系统这类的辅助提示系统，还是电子稳定程序类的系统接控，其有效的工作基础是充分可靠的信息以及后台正确而迅速的判断能力。获得可靠信息的关键是传感器及其合理的分布；正确的判断力则来自控制系统的快速响应和可靠算法。

　　车辆用传感器依据其具体的特性和用途，分别位于车体的不同位置，主要包括雷达、红外线、LIDAR（Light Detecting and Ranging）、超声波、加速度传感器、CCD/CMOS影像系统等。

　　预碰撞系统中主要运用的传感器为毫米波雷达或激光雷达。其中毫米波雷达价格较高，主要面向高端车市场；而激光雷达的成本较低，仅为毫米波雷达的1/3左右，针对低价车市场。但在性能上，激光的波长较短，限制了其应用范围，不利于雨雪天等恶劣环境下的使用。

　　红外线及影像传感器为主的监视器技术主要用于行车时的障碍物识别及辅助视野等。红外线成像又可分为温度探测的远红外（FIR）技术和用于夜视的近红外（NIR）技术。FIR可探测具有温度的生物，其可将物体辐射出的热量显示为影像；NIR则主要用于夜间等视线不良的情况，可探测得比车灯照射距离更远，但同时也容易受到对面灯光的影响，其主要用于夜视等辅助路况显示。

　　如需要探测车外甚至车内的具体情况，则可使用CCD或CMOS元件作为视觉影像传感器。目前CCD/CMOS的应用日趋广泛，配合先进的视觉识别算法，其成像范围内的运动物体、路面状况及摩擦系数、路边的交通信号与标志、路面车道分隔线等都可被视别，完全可成为驾驶员的眼睛。

　　CCD/CMOS也可实现较大的动态，来表现昏暗和高反差环境下的图像细节，该技术通过捕捉高感光度和低感光度两种画面并加以合成的方式实现。此外，CCD/CMOS如果与上文所述红外线或雷达结合，则可组成混合式传感器（Sensor Fusion）。红外线发生器照射目标物体后，反射回的红外线被CCD/CMOS吸收，因此无论白天或夜晚均可对路况加以识别，为驾驶员提供功能强大的辅助视觉。

系统构架分析

　　汽车安全系统的预碰撞处理、安全速度/车距控制等各种警示与应变系统的原理都十分类似，即由ECU（中央电子控制单元）接受外界传感器的相关信息后，通过内置算法进行实时评估并决定最佳的应变措施。因此，汽车电子系统的设计上与一般系统设计并无太大差异，但硬实时性和可靠性是与其它电子控制系统相区别的显着特点。

　　首先以安全气囊（Airbag）控制系统为例。该系统主要由驾驶员及乘客面前的安全气囊，位于车身外的冲撞传感器（Satellite Sensor），安置于车门、座位和车顶等位置的加速度传感器（G-Sensor），以及通常为16位或32位MCU的ECU等几部分组成。当车身受到碰撞，冲撞传感器会立即向ECU发出信号，ECU则会收集碰撞强度、座椅位置、乘客重量、安全带情况等参数来进行迅速评估，并在极短的时间内通过电爆驱动器（Squib Driver）打开安全气囊来保护车内人员的安全。

　　图二　安全气囊系统架构图

　　如图三所示，主动式悬挂系统（Active Suspension）也是汽车中比较常见的安保系统，其可大幅提高车辆的操控性。主动式悬挂系统主要由传感器、减震筒及计算机控制系统等组成。该系统可采集汽车的速度、加速度、负重、转向程度、左右G力等数据来由程序对悬挂系数，和底盘与地面的高度等进行实时调整。

　　图三　主动式悬挂系统架构组成

　　越来越多地国家的法律法规对防抱死煞车系统（Anti-lock Brake Systems， ABS）的性能提出了要求，对其可靠性的更高要求增加了ABS设计的复杂程度和研发难度。如图四所示系统中，ABS的主要目的是防止车辆失速滑行的危险情况，当控制环节发现紧急刹车导致转速过低时，会迅速点放刹车，给予轮胎足够的滚动空间和更大的抓地力，防止车辆跑偏。该系统的关键是轮胎转速的测量。

　　图四　 ABS系统构架图

　　具图五所示系统为电子式动力辅助方向盘（Electric power Assisted Steering， EPAS）系统，简称动力方向盘。相对于传统的油压式方向盘，EPAS采用电子式马达来为驾驶人员提供车轮转向的辅助控制。EPAS一般由传感器获得方向盘的位置、扭矩，再结合车速、发动机温度、电池供电情况等参数实现电子式马达的辅助控制。EPAS目前已逐渐进入市场，其不但能使引擎负载降低，还能进一步改善燃油的使用效率。

　　图五　动力方向盘系统构架

　　预拉紧安全带（Seat Belt Tensioner）也是先进的行车安全保障系统，其可作为碰撞系统中的子系统。预拉紧安全带在车辆正常行驶时给驾驶员与乘客较大的肩部空间，使其能享受驾驶与乘车的舒适；但在事故发生的瞬间，为保护人员安全，避免其向前冲击而造成的身体伤害，预拉紧安全带可迅速收紧，使人员紧靠座椅，减少其与前方物体发生碰撞的危险。